[논문]LES와 One Equation Dynamic Smagorinsky 난류모형을 이용한 Beach Cusps 쇄파역에서의 경계층 Streaming 수치해석

조용준

doi:10.9765/kscoe.2020.32.1.55

LES와 One Equation Dynamic Smagorinsky 난류모형을 이용한 Beach Cusps 쇄파역에서의 경계층 Streaming 수치해석
Numerical Analysis of the Hydraulic Characteristics of a Boundary Layer Streaming over Beach Cusps Surf-Zone Using LES and One Equation Dynamic Smagorinsky Turbulence Model 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.32 no.1, 2020년, pp.55 - 68

초록
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너울이 우세한 온화한 해양환경에서 출현하는 beach cusp에서의 경계층 streaming 수리특성을 살펴보기 위해 edge waves의 천수 과정을 수치 모의하였다. Beach cusp을 유지하는 것으로 알려진 synchronous edge waves는 같은 주기와 파고를 지니는 두 개의 Cnoidal wave가 전면해역에서 비스듬히 조우 되도록 조파하여 재현하였다. Beach cusp의 진폭 A_B과 파장 L_B은 맹방 해변에서 수행된 관측결과를 토대로 각각 1.25 m, 18 m로 선정하였다. 모의결과 천수 각 단계에서 예외 없이 경계층 streaming을 관측할 수 있었으며 최대 경계층 streaming은 사주 정점에서 발생하였다. 주기가 가장 짧은 RUN 1의 경우 그 세기는 약 0.32 m/s 내외에 분포하며 이러한 수치는 free stream 유속 u_∞ 진폭의 두 배에 달하는 것으로 wave Reynolds 응력에 기반한 Longuet-Higgins(1957)의 해석 해와는 상당한 차이를 보였다. 수치 모의과정에서 온화한 해양환경에서 해빈이 복원되는 과정을 특정할 수 있었으며 이 과정을 정리하면 다음과 같다: 너울로 구성된 파랑 무리에서 성분 파랑 간의 공진성 상호작용으로 생성된 외 중력파가 쇄파선 인근에 도달하는 경우 중력으로 인한 가속이 더해진 Phase II 파랑 궤도 운동으로 수면 가까이 상승한 많은 모래가 쇄파 시 발생하는 파 마루로부터 시작된 up-rush에 의해 전 빈 정점 가까이 이동하며 이 과정에서 발생하는 침투로 인해 퇴적되는 것으로 모의 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to investigate the hydraulic characteristics of a boundary layer streaming over the beach cusps appeared in swells prevailing mild seas, we numerically simulated the shoaling process of Edge waves over the beach cusp. Synchronous Edge waves known to sustain the beach cusps could successfully be duplicated by generating two obliquely colliding Edge waves in front of beach cusps. The amplitude AB and length LB of Beach Cusp were elected to be 1.25 m and 18 m, respectively based on the measured data along the Mang-Bang beach. Numerical results show that boundary layer streaming was formed at every phase of shoaling process without exception, and the maximum boundary layer streaming was observed to occur at the crest of sand bar. In RUN 1 where the shortest waves were deployed, the maximum boundary layer streaming was observed to be around 0.32 m/s, which far exceeds the amplitude of free stream by two times. It is also noted that the maximum boundary layer streaming mentioned above greatly differs from the analytical solution by Longuet-Higgins (1957) based on wave Reynolds stress. In doing so, we also identify the recovery procedure of natural beaches in swells prevailing mild seas, which can be summarized such as: as the infra-gravity waves formed in swells by the resonance wave-wave interaction arrives near the breaking line, the sediments ascending near the free surface by the Phase II waves orbital motion were carried toward the pinnacle of foreshore by the shoreward flow commenced at the steep front of breaking waves, and were deposited near the pinnacle of foreshore due to the infiltration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 인식에 기초하여 본 논문에서는 너울이 우세한 온화한 해양환경에서 출현하는 beach cusp에서의 경계층 streaming 수리특성을 살펴보기 위해 전면해역에 사주를 지닌 beach cusp에서의 천수 과정이 수치 모의 된다. Beach cusp을 유지하는 기작으로 알려진 synchronous edge waves는 beach cusp 전면해역에서 비스듬히 만나는 두 개의 Cnoidal waves를 조파하여 재현되며(Lee and Cho, 2019), 비교를 위해 영의 영각으로 진입하는 Cnoidal waves의 천수 과정 수치 모의도 병행하여 수행된다.

제안 방법

5에 정리하였으며, 도시된 계산영역은 1,250,000개의 절점으로 이산화하였다. Beach Cusps 쇄파 역과 포말대에서의 경계층 streaming의 수리특성을 살펴보기 위해 주기를 바꿔가며 총 6번의 수치 모의를 수행하였으며, Table 1에는 수치 모의에 사용된 해빈 경사, 파랑 조건, 해빈 형태 등을 정리하였다.
너울이 우세한 온화한 해양환경에서 출현하는 beach cusps에서의 경계층 streaming 수리특성을 살펴보기 위해 전면해역에 사주를 지닌 해빈에서의 edge waves 천수 과정을 수치 모의하였으며 beach cusp의 진폭 A_B과 파장 L_B은 맹방 해변에서 수행된 관측결과(Cho, 2019b)를 토대로 각각 1.25 m, 18 m로 선정하였다(Fig. 5, 6 참조).
조우 되도록 조파하여 재현하였다. 이 경우 결과되는 파동계는 연안 방향으로 파고가 변조되는 short-crested waves로 synchronous edge waves와 같은 성정을 지니며, 비교를 위해 영의 영각으로 진입하는 Cnoidal waves의 천수 과정 수치 모의도 병행하여 수행하였다(Fig. 5 참조).
조우 되도록 조파하여 재현하였다. 이 경우 결과되는 파동계는 연안 방향으로 파고가 변조되는 short-crested waves로 synchronous edge waves와 같은 성정을 지니며, 비교를 위해 영의 영각으로 진입하는 Cnoidal waves의 천수 과정 수치 모의도 병행하여 수행하였다(Fig. 5 참조).
이러한 시각에서 본 논문에서는 너울이 우세한 온화한 해양환경에서 출현하는 beach cusp에서의 경계층 streaming 수리특성을 살펴보기 위해 edge waves 천수 과정을 수치 모의하였으며 beach cusp의 진폭 AB과 파장 LB은 맹방 해변에서 수행된 관측결과(Cho, 2019b)를 토대로 각각 1.25 m, 18 m로 선정하였다. Beach cusp을 유지하는 것으로 알려진 synchronous edge waves는 같은 주기와 파고를 지니는 두 개의 Cnoidal wave가 전면해역에서 비스듬히 조우 되도록 조파하여 재현하였으며 이 경우 결과되는 파동 계는 연안 방향으로 파고가 변조되는 short-crested waves로 synchronous edge waves와 같은 성정을 지닌다.
17에는 이해를 돕기 위해 Station 4에서 관측된 해안방향 유속성분 연직 분포의 한 주기에 걸친 변화양상을 도시하였다. 한 주기를 총 여섯 개의 frame으로 나누어 위상별 유속 변화가 확연히 드러나도록 구성하였다. 그림에서 알 수 있듯 swash-zone에 해당하는 Station 4의 경우 전 수심이 경계층으로 보이며 바닥 인근으로 경계층을 제한하는 고전적인 해석방법은 한계가 있어 보인다.

이론/모형

자유수면은 VOF(Volume Of Fraction)법을 활용하여 추적하였으며, 바닥에는 no-slip boundary condition, 측면에는 cyclic boundary condition을 적용하였다. 난류모형으로는 차용된 격자보다 작은 규모의 난류는 등방성에 근접한다는 시각에서 LES(Large Eddy Simulation), 잔차응력(Residual Stress)은 one equation dynamic Smagorinsky 모형을 활용하여 모의하였다.
비교를 위해 영의 영각으로 진입하는 Cnoidal waves의 천수 과정 수치 모의도 병행하여 수행하였다. 수치 모의는 OpenFoam 기반 Tool box인 IHFoam을 사용하여 수행되었으며(Losada et al., 2008; Cho and Bae, 2019). 파랑모형은 spatially filtered Navier-Stokes Eq.
수치 모의는 OpenFoam 기반 Tool box인 IHFoam을 사용하여 수행하였으며(Losada et al., 2008; Cho and Bae, 2019), 파랑모형은 spatially filtered Navier-Stokes Eq.과 질량 보존식으로 구성하였다.
과 질량 보존식으로 구성하였다. 자유수면은 VOF(Volume Of Fraction) 법을 활용하여 추적하였으며, 난류모형으로는 차용된 격자보다 작은 규모의 난류는 등방성에 근접한다는 시각에서 LES (Large Eddy Simulation), 잔차 응력(residual stress)은 one equation dynamic Smagorinsky 모형을 활용하여 모의하였다.
과 질량 보존식으로 구성하였다. 자유수면은 VOF(Volume Of Fraction)법을 활용하여 추적하였으며, 바닥에는 no-slip boundary condition, 측면에는 cyclic boundary condition을 적용하였다. 난류모형으로는 차용된 격자보다 작은 규모의 난류는 등방성에 근접한다는 시각에서 LES(Large Eddy Simulation), 잔차응력(Residual Stress)은 one equation dynamic Smagorinsky 모형을 활용하여 모의하였다.

성능/효과

모의결과 천수 과정의 각 단계에서 예외 없이 경계층 streaming을 관측할 수 있었으며, 최대 경계층 streaming은 사주 정점에서 발생하였으며 주기가 가장 짧은 RUN 1의 경우 그 세기는 약 0.32 m/s 내외에 분포하였다. 이러한 수치는 free stream 유속 # 진폭(U_m = 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	beach cusp는 무엇인가?	자연 해빈에서는 해안선이 원호 모양으로 먼 바다를 향해 번갈아 가며 나가고 들어오는 것이 흔히 관측되며 이러한 원호 모양의 해안선은 beach cusp이라 불린다. 우리나라 동해안의 여러 백사장 중 아직 개발의 손길이 미치지 못해 자연 해빈에 가깝게 보존된 맹방 해안에서도 상당히 다양한 크기의 beach cusp을 관측할 수 있다(Cho, 2019b; Lee and Cho, 2019).
	Beach cusp는 어떻게 생성되는가?	Beach cusp은 퇴적성 해빈처럼 간조 단구(low tide terrace)와 해안 사이에 급경사의 전빈이 형성되는 경우 전빈 수주에서 자극된 sub-harmonic edge waves에 의해 해빈 표사가 재배치되는 과정에서 생성된다(Guza, 1974). 전술한 subharmonic edge waves는 해안에 beach cusp이라는 흔적을 남기고 소멸하며, 이렇게 초기화된 beach cusp은 내습하는 파랑과 같은 주기를 지니는 synchronous edge waves에 의해 유지된다(Guza, 1974; Cho, 2019b; Lee and Cho, 2019).
	자연 해빈의 해양환경에 따라 침·퇴적을 반복하는 순환과정 중 온화한 해양환경에서 출현하는 퇴적성 해빈의 특징은?	, 2019; Cho, 2019a). 전술한 해빈 대순환과정 중 온화한 해양환경에서 출현하는 퇴적성 해빈은 Dean Number Ω < 1로 분류되며 좁은 해빈 폭, 급한 전빈 경사, swash 대역에서 형성되는 beach cusp, 원빈에 형성된 사주 등의 성정을 지닌다. 이에 반해 거친 해양환경에서 출현하는 침식성 해빈은 고운 모래로 구성된 해빈, 완만한 전빈 경사, 쓸려간 사주와 같은 성정을 공유한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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